Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Justieren und Verbinden von mehreren übereinander ange¬ ordneten Scheiben, die insbesondere in der Mikrosystemtech- nik zum Einsatz kommen können.

In der Mikrosystemtechnik werden häufig strukturierte Schei¬ ben (z.B. Silicium, Pyrex) miteinander verbunden. Dabei muß die Lage der Strukturen zueinander mit einer Genauigkeit von 10 bis 1 μm eingehalten werden. Übliche Verbindungsverfahren sind unter anderem anodisches Bonden, Silicium-Fusions-Bon- den (silicon-fusion-bonding) glass-sealing-bonding und Kle¬ ben. Das Verbinden der Scheiben erfolgt in einer Prozeß- kam-äer, die Vakuum oder ein Prozeßgas enthalten kann. Übli¬ cherweise werden die Scheiben zuerst außerhalb der Proze߬ kammer zueinander justiert und dann mit einer Transportvor¬ richtung in die Prozeßkammer transportiert. Bei bestimmten Verbindungsverfahren dürfen sich die Scheiben vor Beginn des Verbindungsverfahrens nicht berühren, d.h. sie müssen in einem Abstand voneinander transportiert werden. In der Pro¬ zeßkammer wird zwischen den Scheiben ein Vakuum oder eine bestimmte Gasatmosphäre erzeugt, wobei vor dem Einführen eines Prozeßgases üblicherweise die Kammer auch evakuiert wird. Insbesondere für die Evakuierung der Scheibenzwischen¬ räume ist ein Mindestabstand zwischen den Scheiben erforder¬ lich. Danach werden die Scheiben zusammengefügt und mit Hilfe von Druck, hoher Temperatur oder Hochspannung mitein¬ ander verbunden. Der in der Kammer herrschende Druck bzw. das Prozeßgas wird dabei zwischen den Scheiben eingeschlos¬ sen.

Bekannterweise wird der Abstand zwischen den Scheiben vor der Verbindung dadurch eingehalten, daß am Scheibenumfang dünne Abstandshalter angeordnet sind. Nach der Evakuierung der Prozeßkammer werden die Scheiben durch Aufsetzen z.B. einer Bondeinrichtung in ihrer Mitte zusammengeklemmt (durchgebogen) und die Abstandshalter mechanisch radial herausgezogen. Dabei schnappen die Scheiben zusammen. Bei einem größeren Scheibenabstand, wird der Abstand durch elektrostatische Halterungen gewährleistet.

Probleme bei dem genannten Verbindungsverfahren ergeben sich vor allem daraus, daß die Scheiben bis .zu 500°C aufgeheizt werden müssen, wobei die Scheiben unterschiedliche Ausdeh¬ nungskoeffizienten aufweisen können. Die Scheiben müssen in der Prozeßkammer gehaltert werden, wobei sich die Lage der Strukturen nach der Justage nicht verschieben soll bzw. eine Verschiebung berechenbar sein muß. Bei der gleichzeitigen Verbindung von mehr als zwei Scheiben führt das Zusammen¬ schnappen der Scheiben nach dem Entfernen der Abstandshalter zu Ungenauigkeiten in der Justage.

Weiterhin ist aus der GB-A-2 274 201 ein Verfahren zur Aus¬ richtung von Halbleiterplatten relativ zueinander bekannt. Die Ausrichtung geschieht durch eine Kugel, die in entspre¬ chenden Aussparungen einer unteren und einer oberen Halblei¬ terscheibe angeordnet ist. Die Halbleiterscheiben können je¬ doch nicht zwischen dem Justieren und Verbinden in Abstand gehalten werden, wie das z.B. vor dem Verbinden in einer Prozeßkammer oder bei der Silicon Direct Fusion nötig ist. Außerdem wird ein Justieren und Verbinden von mehreren Scheiben nicht beschrieben.

In Productronic 5-1981, Seite 106 wird ein Verfahren zum Bonden von Silicium und Glas beschrieben. Durch Verschieben und Drehen eines Trägers kann ein Siliciumwafer relativ zu einer Glasscheibe justiert werden. Die Justierung wird durch zwei CCD-Kameras mit veränderbarem Abstand auf einem Split-

Field-Bildschirm projeziert. Nach vollendeter Justierung werden magnetische Klemmen, die den Siliciumwafer haltern, freigegeben und der Wafer wird gegen die Glasplatte gepreßt . Ein Justieren und Verbinden von mehreren Scheiben ist nicht möglich und die vorgenommene radiale Scheibenfixierung er¬ laubt keine exakte Justage.

In JP-1-246 815 A2 (Abstract) wird ein IR-Justierverfahren offenbart . Das Justieren zweier Siliciu scheiben erfolgt mittels Positionierungsmarken, die in die Scheiben eingeätzt werden und nach einer Oxidation der Scheibe mittels IR-Sen¬ sors übereinander angeordnet werden. Dieses Verfahren kann aber nicht mehr als zwei Scheiben gleichzeitig justieren.

Aus der US-5 131 968 ist ein Verfahren zum Ausrichten und Verbinden von zwei Wafern bekannt. Der erster Wafer ist auf einer flachen Halterung angeordnet und der zweite Wafer ist auf einem Halter befestigt, der eine Aushöhlung aufweist, so daß auf den zweiten Wafer ein konvexer Druckgradient aus¬ geübt werden kann. Die beiden Wafer werden mit Luftdruck aufeinandergepreßt .

Aus JP 5-82 493 A2 (Abstract) ist ein Verfahren zum Bonden von Wafern bekannt. Ein elastisches Glied preßt einen Wafer zum Bonden auf eine Platte.

Die US-4 883 215 offenbart ein Verfahren zum blasenfreien Bonden von Siliciumwafern. Dabei werden die Wafer beabstan¬ det übereinander angeordnet und in dem entstehenden Zwi¬ schenraum vor dem Verbinden mit einem Fluid gereinigt. Da¬ nach werden die Abstandshalter zwischen den Wafern radial herausgezogen und die Wafer miteinander in Kontakt gebracht.

Die US-5 314 107 bezieht sich auf ein automatisiertes Ver¬ fahren zum Verbinden von Wafern. Dabei werden Zweierpakete von Wafern seitlich im Schlitz einer Halterung justiert und miteinander in Kontakt gebracht .

Aus der JP 63-24 617 A2 (Abstract) ist ein doppelseitiges Ausrichtungsverfahren von Wafern bekannt. Dabei werden in einem Wafer zwei durchgehende Fenster herausgeätzt, die bei der Ausrichtung als Referenzmarken dienen.

Die JP 2-186 619 A2 (Abstract) betrifft ein Verfahren zum Positionieren eines Wafers, wobei ein Loch im Zentrum des Wafers angeordnet ist, dessen eine Seite eine Kristallorien¬ tierung aufweist, wodurch der Wafer in diese Kristallrich¬ tung ausgerichtet werden kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von mehreren übereinander angeordneten und zueinander justierten Scheiben zur Verfügung zu stellen, wobei mehrere Scheiben sehr genau miteinander verbunden werden können und eine sehr schonende Behandlung der Scheiben erfolgt.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge¬ löst.

Bei der Lösung geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, die Scheiben durch Zentriereinrichtungen zu zentrieren und mit unter Druckeinwirkung in ihrer Länge verkürzbaren Ab¬ standshaltern, die die jeweils unteren Scheiben durchdrin¬ gen, voneinander zu beabstanden. Durch Druck gegen die Ab¬ standshalter wird der Abstand zwischen den Scheiben besei¬ tigt, und die Scheiben werden sehr schonend und ohne Schnappeffekt mit hoher Genauigkeit miteinander in Kontakt gebracht.

Die Erfindung hat folgende Vorteile.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig vom Scheiben¬ material. Der Transport der Scheiben ist unkritisch, da sie durch Formschluß gehaltert werden. Durch Anbringen von Zen-

trierstiften und Zentrierbohrungen läßt sich die Wärmeaus¬ dehnung der Scheiben berechnen. Es kann auf teure elektro¬ statische Halterungen verzichtet werden, um die Scheiben in der Kammer zu separieren. Die Scheiben können empfindliche mikrosystemtechnische Elemente, z.B. feine empfindliche Mem¬ branen aufweisen, da kein "Schnappeffekt" auftritt, durch den eine Beschädigung der Elemente eintreten könnte. Die Zentrierbohrungen können sowohl durch mechanische Bearbei¬ tung als auch durch Ätzen nach einer Fotolithografie in die Scheiben eingebracht werden. Im Vergleich zu den bekannten Verfahren ist das erfindungsgemäße Verfahren und die erfin¬ dungsgemäße Vorrichtung sehr einfach durchführbar bzw. ko¬ stengünstig hergestellt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. la einen Querschnitt längs der Linie A-A' in Fig. lb durch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform,

Fig. lb eine Draufsicht auf eine Scheibe mit erfindungsge¬ mäßen Bohrungen,

Fig. lc die erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß Fig. la im zusammengedrückten Zustand,

Fig. 2a einen Querschnitt längs der Linie B-B' in Fig. 2b durch eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform,

Fig. 2b eine Draufsicht auf eine Scheibe mit weiteren erfin¬ dungsgemäßen Bohrungen,

Fig. 2c einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Ausfüh¬ rungsform gemäß Fig. 2a längs der Linie C-C in Fig. 2b, und

Fig. 2d die erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß Fig. 2a im zusammengedrückten Zustand.

Figuren la bis lc zeigen eine erste erfindungsgemäße Ausfüh¬ rungsform einer Vorrichtung, mit der zwei übereinanderlie- gende Scheiben 1 _Q , 1-, miteinander verbunden werden können. Die Vorrichtung weist eine Trägerplatte 5 auf, in der zwei

Zentrierstifte 6-^, 6 ₂ und ein Satz aus drei .Abstandshaltern 7-L angeordnet sind. Zwischen einer oberen, nach unten ab¬ senkbaren Platte 9 mit Bohrungen 10, in die die Zentrier¬ stifte 6-^ 6 ₂ eingeführt werden können, sind die zwei Schei¬ ben 1 _Q , 1-L beabstandet angeordnet. Gemäß Fig. lb weisen die Scheiben eine Zentralbohrung 2 und ein Langloch 3 auf, die von den Zentrierstiften 6-^ bzw. 6 ₂ durchdrungen werden. In der unteren Scheibe (Fig. lb) sind zusätzlich noch drei Durchgangsbohrungen 4 _Q angeordnet, die von den Abstandshal- tern !-_ für die obere Scheibe 1 ₁ durchdrungen werden. Die Abstandshalter 7- _L sind in Bohrungen 11 der Trägerplatte 5 auf Druckfedern 12 angeordnet. Die Trägerplatte 5 ruht auf einer unteren Platte oder Basisplatte 8, die wahlweise ge¬ heizt werden kann.

Die Platten 8 und 9 können wahlweise Heizplatte, Elektrode, Druckplatte bzw. eine Kombination daraus sein.

Vor dem Verbinden der beiden Scheiben 1 _Q , 1-^ wird die obere Platte 9 nach unten gedrückt, wobei die obere Scheibe l-_ auf den Zentrierstiften 6 _l7 6 ₂ gegen die Federkraft der Ab¬ standshalter 1^ nach unten gleitet, die Abstandshalter 7 ₁ in die Bohrungen 11 der Trägerplatte 5 eingesenkt werden, und die obere Scheibe lη_ mit der unteren Scheibe 1 _Q in Kontakt kommt. Mittels Energiezufuhr über die obere Platte 9 bzw. zusätzlich noch über die untere Platte 8 können die Scheiben 1 an vorbestimmten Stellen gebondet werden. Die obere Platte 9 kann als Heizplatte, Druckplatte oder Hochspannungselek¬ trode ausgebildet sein.

Fig. 2a zeigt einen Querschnitt längs der Linie B-B' in Fig. 2b durch eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der drei Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ übereinander angeordnet sind. Dabei ist der Abstandshalter 7 ₂ oberhalb der Schnittebene angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Sätze von je drei Abstandshaltern 7-^, 7 ₂ vorgesehen, die die zwei obe¬ ren Scheiben 1 _1# 1 ₂ untereinander und zur unteren Scheibe 1 _Q beabstanden. Die Abstandshalter 7 ₁ bzw. 7 ₂ jedes Satzes wei-

sen untereinander die gleiche Länge auf, so daß die beab- standeten Scheiben zueinander parallel sind. Die Abstands¬ halter l _{l f} 7 ₂ unterschiedlicher Sätze haben eine unter¬ schiedliche Länge, wobei die Längendifferenz der Abstands¬ halter l _{l t} 7 ₂ unterschiedlicher Sätze so bemessen ist, daß gleiche Abstände der übereinander angeordneten Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ erreicht werden.

Fig. 2b zeigt die Draufsicht der untersten Scheibe 1 _Q . Diese weist die größte Zahl von Durchbohrungen 4 _Q auf, da durch die unterste Scheibe 1 _Q alle Abstandshalter 7-^ , 7 ₂ für die oberen Scheiben 1-^ 1 ₂ hindurchgeführt werden müssen. Wei¬ terhin sind in der Scheibe 1 _Q noch die Zentralbohrung 2 und das Langloch 3 angeordnet, die in allen Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ vorgesehen sind.

Fig. 2c zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Ausführungsform gemäß Fig. 2a längs der Linie C-C in Fig. 2b. Zwei Abstandshalter 7 _1# 7 ₂ liegen dabei oberhalb der Schnittebene. Wie bei der ersten erfindungsgemäßen Ausfüh¬ rungsform werden die Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ durch Druck auf die obere Platte 9 einander genähert und in Kontakt gebracht (Fig. 2d) . Die Abstandshalter 7-^, 7 ₂ werden dabei gegen die Kraft der Federn 12 in den Bohrungen 11 nach unten gedrückt, in die Trägerplatte 5 eingesenkt, und die Zentrierstifte 6- _L , 6 ₂ gleiten in die Bohrung 10 der oberen Platte 9.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die zu verbin¬ dende Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ zuerst mit je einer Zentralbohrung 2 und einem Langloch 3 versehen. Alle unter einer obersten Scheibe l- _> anzuordnende Scheiben 1 _Q , 1-^ werden dann noch zu¬ sätzlich entsprechend ihrer Stapelfolge mit Durchgangsboh¬ rungen 4 _Q , 4-^ für entsprechende Sätze von Abstandshaltern l-i , 7 ₂ versehen. Dann werden die Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ auf der Trägerplatte 5 auf den Zentrierstiften 6 _1# 6 ₂ und entspre¬ chenden Sätzen von Abstandshaltern 7^ , 7 ₂ die die Scheiben 1-^, l ₂ abstützen, angeordnet. Danach erfolgt der Transport

in eine Prozeßkammer z.B. mittels eines Transportschiebers, und die Trägerplatte 5 wird auf der unteren Platte 8 abge¬ legt. Die obere Platte 9, die wahlweise als Heizplatte, Druckplatte oder elektrische Elektrode ausgebildet sein kann, wird oberhalb der Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ angeordnet und mit dem Zentrierstift 6 in der Zentralbohrung 2 zentriert. Der Zwischenraum zwischen den Scheiben 1 ₀ bis 1 ₂ ist so ein¬ gestellt, daß eine hinreichende Evakuierung bzw. Füllung mit einem Prozeßgas des Scheibenzwischenraumes erfolgen kann. Nach einer entsprechenden Evakuierung und/oder Gasfüllung wird die obere Platte 9 nach unten gedrückt und die Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ kommen miteinander in Kontakt. Durch die Zentrie¬ rung über die Zentrierstifte 6 _{l t} 6 ₂ wird dabei eine hohe Zentriergenauigkeit von 5 bis 10 μm eingehalten. Das Zusam¬ mendrücken der Scheiben über die gleichmäßig verteilten .Ab¬ standshalter 7-L, 7 ₂ gegen entsprechend dimensionierte Feder¬ kräfte gewährleistet eine schonende Behandlung der Scheiben, wobei auch dünne, empfindliche Membranen nicht beschädigt werden. Danach werden die Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ mittels Ener¬ giezufuhr z.B. über Heizen oder eine Hochspannungselektrode miteinander verbunden. Mittels der Langlöcher 3 in den Scheiben l _Q bis 1 ₂ können sich die Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ bei den auftretenden Temperaturen von bis zu 500°C ungehindert ausdehnen. Nach ihrer Verbindung werden die Scheiben 1 _Q bis 1 ₂ zusammen mit der Trägerplatte 5 wieder aus der Pro¬ zeßkammer ausgefahren, wobei die Abstandshalter 7-^, 7 ₂ das Paket der verbundenen Scheiben 1, noch geführt durch die Zentrierstifte 6-^, 6 ₂ , selbsttätig von der Trägerplatte 5 abheben.

Vorzugsweise kommen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung beim Bonden in der Mikrosystem- technik zum Einsatz.

Darüber hinaus läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für andere Verbindungsverfahren, wie z.B. Kleben von übereinander angeordneten und zueinander justierten Gegen¬ ständen anwenden.